Специализированные учебные геоинформационные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовой проект

Специализированные учебные геоинформационные системы

Введение

геоинформационный картографирование визуализация

Целью курсовой работы овладеть методами геоинформатики, теоретическими представлениями и практическими навыками применения геоинформационных технологий, географических баз данных и знаний для создания и использования тематических и общегеографических карт.

Задача: давать возможность вводить, обрабатывать, корректировать, дополнять зрительными образами любые виды информации;

получать пространственные и временные характеристики требуемых ресурсов; адекватно оценивать ситуацию для эффективного контроля, прогнозирования и управления, а также для облегчения принятия решений разнообразных экономических, социальных и научно-производственных задач.

Объектом исследования выступает геоинформационное картографирование.

Предметом исследования - особенности и задачи геоинформационного картографирования и геоинформационной системы.

Методы исследования - сравнительно-географический, картографический, статистический, сравнительно-описательный, работа с литературой.

В настоящее время использование информационных систем выходит за рамки узкого круга специально подготовленных операторов и программистов, необходимость постоянной работы с информационными системами возникает у большего числа пользователей. С помощью интегрированных информационных систем успешно решаются задачи управления, бизнеса, мониторинга не только специалистами, но и руководителями всех звеньев.

Главным требованием в современном мире не только для специалистов-программистов, и руководителей всех звеньев является умение справляться с большими потоками информации, обрабатывать их и применять новые технологии с целью решения задач управления, мониторинга или ведения собственного бизнеса.

Длительное время картографические данные служили основным источником данных для пространственных баз данных и в том числе для геоинформационных систем.

Взаимодействие геоинформатики и картографии стало основой для формирования нового направления - геоинформационного картографирования, суть которого составляет автоматизированное информационно-картографическое моделирование природных и социально-экономических геосистем на основе геоинформационных систем и баз знаний.

Традиционная картография испытывает сегодня перестройку, сопоставимую, возможно, лишь с теми изменениями, которые сопровождали переход от рукописных карт к печатным полиграфическим оттискам. В некоторых случаях геоинформационное картографирование почти полностью заменило традиционные методы картосоставления и картоиздания.

Четкая целевая установка и преимущественно прикладной характер - вот, пожалуй, наиболее важные отличительные черты геоинформационного картографирования.

Согласно подсчетам, до 80% карт, составляемых с помощью геоинформационных систем, носят оценочный или прогнозный характер либо отражают то или иное целевое районирование территории.

Программно-управляемое картографирование по-новому освещает многие традиционные проблемы, связанные с выбором математической основы и компоновки карт (возможность перехода от проекции к проекции, свободное масштабирование, отсутствие фиксированной нарезки листов), введением новых изобразительных средств (например, мигающие или перемещающиеся на карте знаки), генерализацией (использование фильтрации, сглаживания и т.п.).

Происходит тесное соединение двух основных ветвей картографии: создания и использования карт. Многие трудоемкие прежде операции, связанные с подсчетом длин и площадей, преобразованием изображений или их совмещением, стали рутинными процедурами. Возникла электронная динамическая картометрия. Создание и использование карт, в особенности если речь идет о цифровых моделях, стали как бы единым интегрированным процессом, поскольку в ходе компьютерного анализа происходит постоянное взаимное трансформирование изображений. Даже чисто методически стало трудно различить, где завершается составление исходной карты и начинается построение производной.

ГИС-технологии породили еще одно направление - оперативное картографирование, то есть создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабе времени для быстрого, а точнее сказать, своевременного информирования пользователей и воздействия на ход процесса. При этом реальный масштаб времени понимается как характеристика скорости создания-использования карт, то есть темпа, обеспечивающего немедленную обработку поступающей информации, ее картографическую визуализацию для оценки, мониторинга, управления, контроля процессов и явлений, изменяющихся в том же темпе.

Оперативные карты предназначаются для инвентаризации объектов, предупреждения (сигнализации) о неблагоприятных или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизации или изменения хода процесса в самых разных сферах - от экологических ситуаций до политических событий. Исходными данными для оперативного картографирования служат материалы аэрокосмических съемок, непосредственных наблюдений и замеров, статистические данные, результаты опросов, переписей, референдумов, кадастровая информация.

Огромные возможности и порой неожиданные эффекты дают картографические анимации. Разнообразные модули анимационных программ обеспечивают перемещение картографического изображения по экрану, мультипликационную смену карт-кадров или трехмерных диаграмм, изменение скорости демонстрации, возврат к избранному фрагменту карты, перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по карте, их мигание и вибрацию окраски, изменение фона и освещенности карты, подсвечивание и затенение отдельных фрагментов изображения и т.п. Совершенно необычны для картографии эффекты панорамирования, изменения перспективы, масштабирование частей изображения (наплывы и удаления объектов), а также иллюзии движения над картой (облет территории), в том числе с разной скоростью.

В обозримом будущем перспективы развития картографии в науках о Земле связываются прежде всего и почти целиком с геоинформационным картографированием.

Они исключают необходимость готовить печатные тиражи карт. Внедрение электронных технологий «означает конец трехсотлетнего периода картографического черчения и издания печатной картографической продукции». Взамен мелкомасштабных карт и атласов пользователь сможет затребовать и сразу получить все необходимые данные в машиночитаемом или визуализированном виде, и даже само понятие «атлас» подлежит пересмотру.

Сегодня новые карты и атласы уже не пахнут типографской краской, а подмигивают с экрана яркими огоньками значков и меняют окраску в зависимости от нашего желания и настроения. Возможно, недалеко то время, когда картографические голограммы создадут полную иллюзию реальной местности, а пейзажные компьютерные модели сведут на нет различия между картой и живописным полотном.

1. Географическая информационная система

1.1 Понятие о геоинформационных системах

Географическая информационная система или геоинформационная система (ГИС) - это информационная система, обеспечивающая сбор, хранение, обработку, анализ и отображение пространственных данных и связанных с ними непространственных, а также получение на их основе информации и знаний о географическом пространстве.

Считается, что географические или пространственные данные составляют более половины объема всей циркулирующей информации, используемой организациями, занимающимися разными видами деятельности, в которых необходим учет пространственного размещения объектов.

Геоинформационная система ориентирована на обеспечение возможности принятия оптимальных управленческих решений на основе анализа пространственных данных.

Современные геоинформационные системы расширили использование карт за счет хранения графических данных в виде отдельных тематических слоев, а качественных и количественных характеристик составляющих их объектов в виде баз данных. Такая организация данных при наличии гибких механизмов управления ими, обеспечивает принципиально новые аналитические возможности.

Разработка геоинформационной системы - это та сфера научно-технического прогресса, развитие которой невозможно без опоры на картографирование и аэрокосмическое зондирование. Исторически геоинформационная система - в современном их понимании развивалось на базе информационно-поисковых систем и позднее - картографических банков данных. Информационные системы рассматривались как первый этап автоматизированной картографии, затем в функции геоинформационной системы стали включать блоки математико-картографического моделирования и автоматизированного воспроизведения карт. Рассматривая карту, как инструмент для географического анализа и выделяя подсистему пользователя, геоинформационные системы стали охватывать и область использования карт. Большинство геоинформационная система включают в свои задачи создание карт и используют картографический материал как источник информации.

Само понятие геоинформационная система достаточно характеризует ее сущность. Во-первых, речь идет о системе, то есть достаточно сложной многофункциональной структуре, обладающей внутренней организацией и действующей как единое целое.

Во-вторых, подчеркивается информационное назначение этой системы, главной задачей которой является обеспечение функционирования информации в процессе решения научных и практических задач.

В-третьих, система имеет дело с географической информацией, тематически разнообразной, сопоставимой, координированной, масштабированной и генерализованной в пространстве и времени.

Геоинформационная система объединяет традиционные операции при работе с базами данных - запрос и статистический анализ - с преимуществами полноценной визуализации и географического (пространственного) анализа, которые предоставляет карта. Эта особенность дает уникальные возможности для применения геоинформационной системы в решении широкого спектра задач, связанных с анализом явлений и событий, прогнозированием их вероятных последствий, планированием стратегических решений.

Данные в геоинформационных системах хранятся в виде набора тематических слоев, которые объединены на основе их географического положения. Этот гибкий подход и возможность геоинформационных систем работать как с векторными, так и с растровыми моделями данных, эффективен при решении любых задач, касающихся пространственной информации.

1.2 Классификация геоинформационых систем

Геоинформационные системы разрабатываются с целью решения научных и прикладных задач по мониторингу экологических ситуаций, рациональному использованию природных ресурсов, а также для инфраструктурного проектирования, городского и регионального планирования, для принятия оперативных мер в условиях чрезвычайных ситуаций др.

Множество задач, возникающих в жизни, привело к созданию различных геоинформационных систем, которые могут классифицироваться по следующим признакам:

По функциональным возможностям:

- полнофункциональные геоинформационные системы общего назначения;

- специализированные геоинформационные системы ориентированы на решение конкретной задачи в какой либо предметной области;

- информационно-справочные системы для домашнего и информационно-справочного пользования.

Функциональные возможности геоинформационных систем определяются также архитектурным принципом их построения:

- закрытые системы - не имеют возможностей расширения, они способны выполнять только тот набор функций, который однозначно определен на момент покупки.

- открытые системы отличаются легкостью приспособления, возможностями расширения, так как могут быть достроены самим пользователем при помощи специального аппарата (встроенных языков программирования).

По пространственному (территориальному) охвату:

- глобальные (планетарные);

- общенациональные;

- региональные;

- локальные (в том числе муниципальные).

По проблемно-тематической ориентации:

- общегеографические;

- экологические и природопользовательские;

- отраслевые (водных ресурсов, лесопользования, геологические, туризма и т.д.);

По способу организации географических данных:

- векторные;

- растровые;

- векторно-растровые геоинформационные системы.

Источники данных и их типы

В качестве источников данных для формирования геоинформационные системы служат:

- картографические материалы (топографические и общегеографические карты, карты административно-территориального деления, кадастровые планы и др.). Сведения, получаемые с карт, имеют территориальную привязку, поэтому их удобно использовать в качестве базового слоя геоинформационных систем. Если нет цифровых карт на исследуемую территорию, тогда графические оригиналы карт преобразуются в цифровой вид.

- данные дистанционного зондирования (ДДЗ) все шире используются для формирования баз данных геоинформационных систем. К ДДЗ, прежде всего, относят материалы, получаемые с космических носителей. Для дистанционного зондирования применяют разнообразные технологии получения изображений и передачи их на Землю, носители съемочной аппаратуры (космические аппараты и спутники) размещают на разных орбитах, оснащают разной аппаратурой. Благодаря этому получают снимки, отличающиеся разным уровнем обзорности и детальности отображения объектов природной среды в разных диапазонах спектра (видимый и ближний инфракрасный, тепловой инфракрасный и радиодиапазон). Все это обуславливает широкий спектр экологических задач, решаемых с применением ДДЗ.

К методам дистанционного зондирования относятся и аэро- и наземные съемки, и другие неконтактные методы, например гидроакустические съемки рельефа морского дна. Материалы таких съемок обеспечивают получение как количественной, так и качественной информации о различных объектах природной среды.

- материалы полевых изысканий территорий, включают данные топографических, инженерно-геодезических изысканий, кадастровой съемки, геодезические измерения природных объектов, выполняемые нивелирами, теодолитами, электронными тахеометрами, GPS приемниками, а также результаты обследования территорий с применением геоботанических и других методов, например, исследования по перемещению животных, анализ почв и др.

- статистические данные содержат данные государственных статистических служб по самым разным отраслям народного хозяйства, а также данные стационарных измерительных постов наблюдений (гидрологические и метеорологические данные, сведения о загрязнении окружающей среды и т.д.)).

- литературные данные (справочные издания, книги, монографии и статьи, содержащие разнообразные сведения по отдельным типам географических объектов).

1.3 Анализ данных в геоинформационных системах

Неотъемлемой составной частью геоинформационных систем является база данных - геоинформационная система обладает способностью проводить обработку данных с использованием всех функций, которые предоставляет система управления базой данных (СУБД). При использовании геоинформационных систем запрос к базе данных может быть уточнен введением дополнительных параметров, что делает поиск более быстрым и удобным.

В отличие от обычной СУБД, с помощью геоинформационных систем можно составлять пространственные запросы и проводить анализ.

Пространственный запрос - задание на поиск пространственных объектов в базе данных по условиям, содержащим координаты.

В пример можно привести риэлтерскую компанию, занимающуюся поиском жилья для своих клиентов. Этот процесс значительно упрощается вводом таких параметров, как стоимость, площадь жилой площади или расстояния от определенного объекта, например, места работы.

Таким образом, геоинформационные системы помогают:

- сократить время получения ответов на запросы клиентов;

- проводить мониторинг каких-либо ЧС (например, мест разрывов электросетей или моделировать зоны затопления при паводках);

- выявлять территории подходящие для требуемых мероприятий (строительство населенных пунктов, проведение коммуникаций);

- выявлять взаимосвязи между различными параметрами (например, почвами, климатом и урожайностью с/х культур).

Таким образом, использование геоинформационные системы повышают эффективность работы многих компаний и государственных структур, что позволяет сэкономить значительные финансовые и временные ресурсы.

Улучшение интеграции внутри организации с помощью геоинформационных систем.

Многие организации, применяющие геоинформационные системы, обнаружили, что одно из основных преимуществ заключается в новых возможностях управления собственной организацией и ее ресурсами на основе географического объединения имеющихся данных и возможности их совместного использования и согласованной модификации разными подразделениями. Совместное использование системы позволяет постоянно наращивать базу данных, а структурные подразделения имеют возможность вносить в нее целесообразные исправления. Это позволяет повысить эффективность работы, как каждого подразделения, так и организации в целом.

Геоинформационные системы для принятия решений.

Геоинформационные системы, как и другие информационные технологии, подтверждает известный тезис о том, что лучшая информированность помогает принять лучшее решение. Геоинформационные системы, конечно, не могут выдавать готовые ответы. Геоинформационные системы - это средство, помогающее ускорить и повысить эффективность процедуры принятия решений. Это осуществляется за счет:

- доступность информации для восприятия и синтеза, что позволяет ответственным работникам сосредоточить свои усилия на поиске решения, не тратя значительного времени на сбор и осмысление доступных разнородных данных;

- возможность быстро рассмотреть несколько вариантов решения и выбрать наиболее эффективный из них.

Создание карт с помощью геоинформационных систем.

Картам в геоинформационных системах отведено особое место. Процесс создания карт в геоинформационных системах намного более прост и гибок, чем в традиционных методах ручного или автоматического картографирования. В качестве источника данных пользуются бумажными картами, данными дистанционного зондирования, съемкой на местности, космо и аэроснимками и т.д. Переведенные в цифровую форму эти данные становятся материалом для моделирования геопространства.

Гибкость процесса создания карт в геоинформационных системах реализуется:

- удобством ввода и редактирования координированных данных;

- возможностью внесения нужного количества разнообразной атрибутивной и геометрической информации. На бумажной карте количество информации приходится ограничивать во избежание перегруженности;

- возможностью внесения и коррекции данных по мере их поступления - в ручных методах картографирования исправление ошибки - процесс много более проблематичный, а порой и вовсе неосуществимый;

- масштабируемостью: можно вывести на печать любой участок карты без потери качества (строго говоря, это преимущество всех электронных карт);

- совместным и многократным использованием данных: созданная в одной организации топографическая основа (цифровая карта) может использоваться в качестве основы другими отделами и организациями. Возможно быстрое копирование данных и их пересылка по локальным и глобальным сетям.

Применение геоинформационной системы

В целях повышения эффективности территориального управления создаются всё новые геоинформационные системы на муниципальном, районном, региональном и федеральном уровнях. На основе пространственной информации создаются системы управления транспортом, навигационные системы. В последнее время, ГИС получили широкое применение в средствах массовой информации и различных справочных системах.

В настоящее время геоинформационные системы с успехом применяют во многих областях народного хозяйства, наиболее широко геоинформационные технологии используются в земельном кадастре, кадастре природных ресурсов, экологии, в сфере работы с недвижимостью. ГИС используется, например, Министерством чрезвычайных ситуаций для прогнозирования стихийных бедствий.

Сейчас обширно начинают внедряться геоинформационные системы массового пользования, например:

- электронные планы городов;

- генеральные планы заводов;

- схемы инженерных коммуникаций;

- схемы движения транспорта.

По некоторым оценкам до 80-90% всей информации, с которой мы обычно имеем дело, может быть представлено в виде геоинформационной системы. Отсюда можно сделать вывод, что геоинформационные системы обладают огромным потенциалом, а их использование приносит неплохие дивиденды.

В целом можно сказать, что индустрия геоинформационных систем активно эволюционирует, изменяется и развивается, что свидетельствует о большом потенциале отрасли. Исходя из этого, можно надеяться, что в ближайшее время геоинформационные системы не утратят динамику своего развития и будут обеспечивать своих пользователей всё новыми и новыми возможностями.



1.4 Методы и средства визуализации

Электронные карты и атласы

Визуализация (графическое воспроизведение, отображение) - генерация изображений, в том числе и картографических, и иной графики на устройствах отображения (преимущественно на мониторе) на основе преобразования исходных цифровых данных с помощью специальных алгоритмов.

Наиболее компактными и привычным способом представления географической информации остаются карты.

Электронная карта (ЭК) - картографическое изображение, визуализированное на мониторе, на основе цифровых карт или баз данных ГИС.



Электронный атлас (ЭА) - система визуализации в форме электронных карт, электронное картографическое произведение, функционально подобное электронной карте. Поддерживаются программным обеспечением типа картографических браузеров, обеспечивающих покадровый просмотр растровых изображений карт, картографических визуализаторов, систем настольного картографирования.

Помимо картографического изображения и легенд электронные атласы обычно включают обширные текстовые комментарии, табличные данные, а мультимедийные электронные атласы - анимацию, видеоряды и звуковое сопровождение.

Таблицы и графики, включающие различные характеристики объектов (атрибуты) или их соотношения, могут использоваться как самостоятельные или дополнительные к другим средствам визуализации.

Анимации применяют для показа динамических процессов, т.е. последовательный показ рисованных статичных изображений (кадров), в результате чего создается иллюзия непрерывной смены изображений.

Картографические способы отображения явлений анализа данных

Для отображения явлений в анализе данных в геоинформационной системе реализованы способы, которые применяют при создании тематических карт.

Способ размерных символов (значков) - анализируемые характеристики объектов отображаются специальными символами, размер которых передаёт количественную информацию, а форма и цвет качественную информацию.

Способ качественного или (количественного фона) - в этом случае группируются данные с близкими значениями и созданным группам присваиваются определенные цвета, типы символов или линий.

Точечный способ - изобразительным средством является множество точек одинакового размера, каждая из которых имеет определенное значение количественного показателя.

Столбчатые и круговые локализованные диаграммы - позволяют отобразить соотношение нескольких характеристик, при этом диаграммы имеют географическую привязку (например, в точке размещения поста наблюдений показывают соотношение загрязняющих веществ).

Способ изолиний - один из широко распространённых способов отображения различных показателей. С их помощью формируют карты изогипс (топографические и гипсометрические), карты изотерм, изобар, изокоррелят и др. С помощью изолиний выделяются территории, которые характеризуются одинаковыми свойствами (температурами, давлением, осадками, одновременностью наступления событий, равной величиной аномалий, равными скоростями тектонических движений и др.)

При этом различают две группы изолиний: истинные изолинии (характеризуют непрерывное изменение какого-либо показателя, к ним относятся горизонтали) и псевдоизолинии, отображающие данные, имеющие статистическую природу (например, дискретные значения от источников выбросов). Для представления изолиний применяют разные изобразительные средства: линии разных типов, толщины и цвета, послойная цветовая окраска фона (либо штриховка) промежутков между изолиниями.

Трехмерная визуализация

Трехмерное изображение поверхности (3D-поверхность) - средство цифрового объемного представления поверхностей в виде проволочных диаграмм, при этом используются различные типы проекции, при этом изображение можно поворачивать и наклонять, используя простой графический интерфейс.

Для отображения рельефа по данным ЦМР могут быть сформированы растровые изображения.

Растровая поверхность (изображение) - формируется по Grid-модели, при этом каждому пикселу присваивается значение, пропорциональное высоте соответствующей ячейки сетки.

Теневой рельеф (аналитическая отмывка рельефа) - растровое отображение ЦМР, при формировании которого кроме высоты каждого участка сетки Grid-модели, учитывается освещенность склонов.

Реализованы возможности совмещения 3D - поверхностей с другими тематическими слоями. Для достижения реалистичности отображения объектов местности 3D-поверхности совмещаются с картографическими или ортоизображениями.

Виртуальная модель местности (ВММ) - модель местности, содержащая информацию о рельефе земной поверхности, ее спектральных яркостях и объектах, расположенных на данной территории, предназначена для интерактивной визуализации. ВММ позволяет обеспечить эффект присутствия на местности, может быть отображена в виде трехмерной статической сцены (3D-вид) или в режиме имитации полета над местностью, когда наблюдатель находится в точке с заданными координатами.

2. Общие положения геоинформационного картографирования

2.1 Определение геоинформационного картографирования

Геоинформационное картографирование (ГК) - это автоматизированное создание и использование карт на основе геоинформационной системы и баз картографических данных и знаний. Суть геоинформационного картографирования составляет информационно-картографическое моделирование геосистем.

Геоинформационное картографирование, как и любой другой вид картографирования, может быть отраслевым и комплексным, аналитическим и синтетическим. В соответствии с классификациями, принятыми в картографии, выделяются виды (например, социально-экономическое геоинформационное картографирование, экологическое геоинформационное картографирование и др.), и типы картографирования (инвентаризационное, оценочное и т.п.). Можно подразделять геоинформационное картографирование по пространственному охвату, масштабу, назначению, степени синтеза и иным основаниям.

Особенности

Среди характерных черт геоинформационного картографирования, свидетельствующих о существенно новом уровне картографирования, наиболее важны следующие:

- высокая степень автоматизации, опора на базы цифровых картографических данных и базы географических (геологических, экологических и др.) знаний;

- системный подход к отображению и анализу геосистем;

- интерактивность картографирования, обеспечивающая тесное сочетание методов создания и использования карт;

- оперативность, приближающаяся к реальному времени, в том числе, с широким использованием данных дистанционного зондирования;

- многовариантность, допускающая разностороннюю оценку ситуаций и спектр альтернативных решений;

- многосредность (мультимедийность), позволяющая сочетать иконические, текстовые, звуковые отображения;

- применение новых графических изобразительных средств и дизайна;

- создание геоизображений новых видов и типов (электронных карт, 3-мерных компьютерных моделей и анимаций, иконокарт и др.);

- преимущественно проблемно-практическая ориентация картографирования, нацеленная на обеспечение принятия решений.

Истоки:

Новое направление сформировалось не вдруг и не на пустом месте. Геоинформационное картографирование интегрирует в себе ряд научных направлений современной картографии, поднимая их на более высокий технологический уровень.

Прежде всего, его истоки прослеживаются в комплексном картографировании, ставившем во главу угла программно - координированное создание серий согласованных, сопоставимых и взаимно дополняющих серий карт и атласов природы, населения и хозяйства. Комплексное картографирование всегда представляло метод многостороннего познания действительности картографическими средствами.

Развитие идей и методик комплексного подхода повело далее к формированию синтетического картографирования, которое выдвинуло на первый план целостное отображение геосистем путем интеграции параметров, свойств и отношений слагающих их компонентов (элементов). Особую ветвь составило оценочно-прогнозное картографирование, задача которого - целенаправленная интегральная оценка геосистем или их компонентов и предвидение их дальнейшего развития во времени и пространстве с точки зрения решения каких-либо конкретных практических задач. В этом направлении впервые была отчетливо обозначена роль карт, как средства обеспечения принятия решений. Возник даже особый вид карт - рекомендательные, содержание которых составляет размещение предлагаемых мер по реализации принимаемых решений (например, карты рекомендаций для оптимального освоения природных ресурсов, карты мелиорации территории и т.п.).

Следующий шаг - развитие системного картографирования, при котором внимание сосредотачивается на целостном отображении геосистем и их элементов (подгеосистем), иерархии, взаимосвязей, динамики, функционирования. Системный поход проявился, с одной стороны, в новых методах картографического моделирования геосистем, а с другой - в системной организации самого процесса картографирования.

Разумеется, синтетическое и системное картографирование потребовали основательного развития математических методов и автоматизированных технологий, а отсюда был уже один шаг до создания автоматических картографических систем (АКС) и ГИС.

Таким образом, есть все основания считать, что геоинформационное картографирование возникло и развивается как прямое продолжение комплексного, синтетического и далее - системного картографирования в новой геоинформационной среде.

Положение в системе картографических дисциплин

Геоинформационное картографирование сформировалось как узловая дисциплина на пересечении автоматизированной картографии и ГИС, системного картографирования и аэрокосмчисеких методов в широком понимании, включая дистанционное зондирование, дешифрирование и цифровую фотограмметрию. Как это часто бывает, импульсом для возникновения и формирования геоинформационное картографирование, как узловой дисциплины послужило внедрение новой быстро прогрессирующей ГИС-технологии.

К этому «узлу» протягиваются нити от космического картографирования и цифровой картографии, картографического метода исследования и математико-картографического моделирования, компьютерного дизайна, систем спутникового позиционирования и др. Геоинформационное картографирование тесно связано с такими традиционными разделами картографии, как проектирование и редактирование карт, издание карт - словом, в этой сфере основательно «завязаны» многие разделы картографии. Она аккумулирует достижения теории, методики и производственной практики и, в свою очередь, оказывает заметное воздействие на концепции, методический аппарат и технологии.

Пространственные уровни картографирования

Можно выделить следующие пространственные уровни и наиболее подходящие для них диапазоны масштабов ГК:

Глобальный уровень - 1: 10 000000 - 1:45 000000.

Всероссийский уровень (включая прибрежные акватории и приграничные районы) - 1:2 500 000 - 1: 20 000000.

Региональный уровень - крупные природные и экономические регионы, субъекты Российской Федерации - 1:500 000 - 1:4 000 000.

Локальный уровень - области, районы, национальные парки, ареалы кризисных ситуаций и т.п. - 1:50 000 - 1:1 000 000.

Муниципальный уровень - города, городские районы, пригородные зоны - 1:100 000 и крупнее.

Компонентные уровни.

ГК охватывает все земные оболочки.

Различают следующие компонентные (геосферные) уровни ГК:

Литосфера - рельеф и недра, геофизические поля;

Атмосфера - воздух, климат, погода;

Гидросфера - воды суши (в т.ч. искусственные водоемы), океаносфера;

Биосфера - растительный покров, животный мир;

Педосфера - почвы, геохимические поля;

Социосфера - население, социальные условия, политика, медико-географическая обстановка, наука, культура, образование;

Техносфера - хозяйство, транспорт и связь, энергетика, финансы, сфера обслуживания;

Природно-социально-техногвнная гиперсфера - взаимодействие природы и общества, экология, кризисные ситуации, факторы риска.

Направления практического применения

Исчерпывающий перечень всех областей и сфер применения геоинформационного картографирования вряд ли возможен. В этом случае в особенности справедливы слова о том, что картографированию доступно все: «от геологии до идеологии».

Геоинформация, представленная в картографической форме, стала в наши дни ценным товаром и важным общественным ресурсом, владение которым во многом оптимизирует условия жизни и деятельности людей, их взаимоотношения с окружающей средой, проведение той или иной политики.

Можно назвать ряд актуальных направлений обеспечения практической деятельности на основе геоинформационного картографирования:

- поиск и рациональное использование природных ресурсов;

- территориальное и отраслевое планирование и управление промышленностью, сельским хозяйством, транспортом, энергетикой, финансами и другими отраслями хозяйства;

- развитие средств связи и сетей телекоммуникации;

- ведение комплексного и отраслевого кадастра;

- мониторинг экологического состояния и природного риска, оценка техногенных воздействий на среду и их последствий, обеспечение экологической безопасности и устойчивого развития территорий, экологическая экспертиза;

- контроль условий жизни и занятости населения, здравоохранение и рекреация, социальное обслуживание и др.:

- деятельность органов законодательной и исполнительной государственной власти, политических партий, средств массовой информации;

- работа правоохранительных органов, силовых структур, оборона страны;

- развитие образования и культуры;

- научные исследования и прогнозирование.

Рассмотрение уровней и сфер применения геоинформационного картографирования показывает, что оно охватывает все аспекты жизни природы и общества и их взаимодействия. Опыт последнего времени изобилует печальными свидетельствами того, что неполный учет геоинформации, в том числе, и недостаточность картографического обеспечения, приводят к экономическим потерям, кризисным экологическим ситуациям, неэффективному планированию, просчетам в области национальной политики.

2.2 Географические основы геоинформационого картографирования

Важность географического обоснования

На фоне повсеместно наблюдаемого стремительного прогресса программно-аппаратного и информационного обеспечения геоинформационного картографирования становится заметнее отставание его содержательного географического обоснования.

Невольно или намеренно разработчики ГИС упускают из вида, что имеют дело с системами не просто информационными, но еще и географическими, и это не только обозначение пространственности или территориальности в узком смысле слова, а свидетельство комплексности и геосистемности ГИС - технологий.

Развитие геоинформационной системы и геоинформационного картографирования дает географии и родственным ей наукам о Земле и обществе уникальный и может быть единственный за всю их историю шанс действительно стать основой передовой научной технологии, базой для развития геоинформационной (географической информационной) индустрии.

Опыт комплексных географических исследований

Содержание комплексных географических исследований составляет всестороннее изучение генезиса, современного состояния и тенденций развития геосистем. В разных отраслях географии накоплен обширный арсенал методов изучения конкретных объектов и процессов. Большая часть из них применима и для ГИС-технологий.

Кратко охарактеризуем наиболее актуальные из них.

Методы географического моделирования геосистем и их компонентов включают моделирование структуры, динамики, взаимосвязей, функционирования геосистем в пространстве и времени. Моделирование неотрывно от методов районирования (дифференциации, интеграции, зонирования и ареалирования), классифицирования, структурного и типологического анализа, а также от приемов выявления типовых коррелятивных взаимосвязей, ведущих факторов размещения и развития объектов и процессов.

Принципы географической интерполяции и экстраполяции позволяют продолжать выявленные закономерности (связи, тенденции развития и др.) в будущее время, на неизвестную территорию, на неизученный объект, что особенно важно для географического прогноза и мониторинга.

Приемы ключевых исследований позволяют значительно сокращать объемы работы, проводя детальное изучение лишь в пределах эталонных участков. Ключевые исследования по сути обеспечивают выполнение контролируемых автоматических классификаций (кластеризаций) и распознавание объектов. При этом их точность находится в непосредственной зависимости от географической репрезентативности выбранных ключей (эталонов). Особо стоит вопрос о географически обоснованном выборе размеров ключей для географически однородных территорий.

Принципы комплексирования и оптимизации набора источников информации - карт, снимков, полевых наблюдений, статистических данных и др. и приемов их анализа - это одно из достижений методики географических исследований. К сожалению, компьютерные технологии ослабили внимание к проблеме установления рационального комплекса методов и моделей. Нередко ставится задача ввода в геоинформационной системе всей доступной информации, «максимально полного» использования всех имеющихся в распоряжении источников, невзирая на их избыточность, взаимозависимость или даже противоречивость. Повышение надежности геоинформационной системы и геоинформационного картографирования требует разработки географически достоверных критериев рационального, т.е. целесообразно ограниченного комплекса данных и набора методов.

Методы географической индикации

Методы индикации, давно и широко применяемые в комплексных географических исследованиях, имеют особое значение для геоинформационного картографирования и ГИС-технологий. Индикация позволяет по совокупности характерных внешних признаков судить о явлениях, скрытых от непосредственного наблюдения.

Ландшафтно-индикационные методы эффективны при картографировании почв и ландшафтов, выявлении ареалов заболеваний и поиске полезных ископаемых, обнаружении радиоактивного загрязнения и зон тектонических разломов, оценке качества фунтовых вод и изменений климата.

Индикационная составляющая особенно велика при дешифрировании аэрокосмических снимков, можно даже сказать сильнее - всякое дешифрирование и распознавание включает элементы индикационного анализа графических образов, рисунков, конфигураций.

Наиболее значимые индикационные признаки - рисунок изображения, его морфологический облик, структурно-текстурные особенности и топологические характеристики. По сути дела, речь идет о принятии решений относительно наличия и свойств какого-либо объекта по набору косвенных признаков, представленных на картах и снимках - задача типичная для ГИС-технологий. Индикационные признаки обычно носят качественный характер, однако, для ГК актуальна разработка количественных вероятностных индикаторов, что повысит надежность индикации.

Индикационные подходы тесно связаны с ключевым анализом, методами интерполяции и экстраполяции, с районированием. Они позволяют увязать структурно-морфологические и генетические аспекты картографирования. Поэтому следует ожидать, что географическая индикация окажется исключительно полезной, прежде всего, для формирования баз знаний, разработки правил и методик принятия решений и, следовательно, для географического обеспечения геоинформационного картографирования в целом.

Опыт системного тематического картографирования

Сходства и аналогии между системными географическими произведениями (прежде всего, атласами) и геоинформационной системы прослеживаются по многим линиям. Те и другие имеют разный пространственный охват (от глобального до муниципального), тематику (геологические, экологические и т.п.), назначение (научно - справочные, учебные, навигационные и др.), они могут быть комплексными или узко отраслевыми, иначе говоря, проблемно ориентированными.

Общая структура геоинформационной системы, отдельных блоков и слоев информации во многом повторяет структуру атласов и их разделов. Нередко геоинформационные системы имеют своим прототипом традиционные «бумажные» атласы, либо создаются, как продолжение и расширение электронных атласов.

Системная целостность атласов, их внутреннее единство обеспечиваются следующими условиями:

- целесообразный выбор и ограничение числа проекций., компоновок и масштабов (желательно, кратных друг другу);

- общность географических основ и базовых карт;

- согласованность легенд, шкал и градаций;

- соблюдение, по возможности, единого уровня генерализации, цензов и норм отбора;

- единство изобразительных средств и дизайна;

- взаимное согласование карт;

- приуроченность содержания к определенной дате (согласование данных во времени).

При географо-картографическом обосновании геоинформационные системы на стадиях их проектирования и создания все эти условия остаются е силе, хотя имеют разное значение. Например, геометрическое согласование по проекциям и масштабу - достаточно легко решаемая задача, тогда как увязка тематического содержания разных слоев в процессе электронного картосоставления - узловая и наиболее сложная проблема. От нее зависят надежность геоинформационной системы и достоверность принимаемых решений.

Географическое согласование слоев в геоинформационной системе предусматривает взаимную увязку отдельных элементов географической основы, основы и тематического содержания, однородных элементов тематического содержания друг с другом, тематических слоев между собой и т.д.

Согласование предполагает учет комплекса закономерностей (зональных, гипсометрических, структурно - литологических, ландшафтных, почвенно-геохимических и иных), увязку тематического содержания вдоль границ разного типа («контактных», «барьерных», «переходных» и др.), по структурным линиям и природным рубежам. Все это требует основательного освоения богатейшего опыта «докомпьютерной» географической картографии.

Необходимо подчеркнуть, что требование взаимного согласования ни в коей мере не означает необходимости добиваться полного совпадения контуров на разных тематических слоях геоинформационной системы. Опыт использования «сетки природных контуров», применявшейся при составлении некоторых комплексных атласов, показывает, что такой подход ведет к искусственной увязке элементов содержания, к пересогласованию тематических карт. Реальные взаимосвязи компонентов геосистем неоднозначны и, нередко, сто - хастичны. Они предполагают смещение одних элементов относительно других в пространстве и времени, включение и срезание одних контуров другими, даже разную дробность взаимосвязанных компонентов. Все это еще раз свидетельствует о ключевой роли географического анализа, который один только дает возможность отличить сложные природные закономерности от ошибок несогласованности слоев геоинформационной системы.

Выбор базовой карты

С проблемой согласования неразрывно связан и выбор географической основы и базовой карты, которые служат каркасом для географической привязки и координирования всех данных, поступающих в геоинформационную систему, взаимного совмещения информационных слоев и последующего анализа с применением оверлейных процедур. В зависимости от тематики и проблемной ориентации геоинформационных систем в качестве базовых могут быть избраны следующие основы:

- карты административно-территориального деления;

- топографические и общегеографические карты;

- кадастровые карты и планы;

- фотокарты, ортофотопланы и фотопортреты местности;

- ландшафтные карты;

- карты природного районирования и схемы природных контуров;

- карты использования земель.

Возможны и комбинации этих основ, например, ландшафтных карт с топографическими, где рельеф передан горизонталями, или фотокарт с картами использования земель и т.п.

В каждом конкретном случае выбор и дополнительная подготовка базовой карты (например, ее разгрузка или нанесение дополнительной информации) составляют центральную задачу этапа предпроектного географо - картографического обоснования геоинформационной системы и геоинформационного картографирования. В настоящее время проработки такого рода единичны.

2.3 Оперативное геоинформационное картографирование

Оперативное геоинформационное картографирование означает создание и использование карт в реальном или близком к реальному масштабе времени с целью быстрого (своевременного) информирования пользователей и воздействия на ход процесса.

При этом реальный масштаб времени понимается как характеристика скорости создания-использования карт, т.е. темпа, обеспечивающего немедленную обработку поступающей информации, ее картографическую визуализацию для оценки, мониторинга, управления, контроля каких-либо процессов и явлений, изменяющихся в том же темпе.

На нынешнем этапе оперативность изготовления картографических произведений и доставки их потребителям становится важным, а может быть, главным условием прогресса картографии. Оперативные карты предназначаются для решения широкого спектра задач, прежде всего, для инвентаризации объектов, предупреждения (сигнализации) о неблагоприятных или опасных процессах, слежения за их развитием, составления рекомендаций и прогнозов, выбора вариантов контроля, стабилизации или изменения хода процесса в самых разных сферах от экологических ситуаций до политических событий. Следует различать оперативные карты двух типов: одни рассчитаны на долговременное последующее использование и анализ (например, карты итогов голосования избирателей), а другие - на кратковременное применение для незамедлительной оценки какой-либо ситуации (например, карты стадий созревания посевов).

Исходными данными для оперативного геоинформационного картографирования служат материалы аэрокосмической съемки, непосредственные наблюдения и замеры, статистические данные, результаты опросов, переписей, референдумов, кадастровая информация. А эффективность оперативного картографирования определяются тремя факторами:

- надежностью автоматической системы, которая, в свою очередь, зависит от скорости ввода и обработки данных, организации баз данных и системы доступа к ним, быстродействия вычислительных и периферийных устройств;

- хорошей читаемостью и воспринимаемостью самих оперативных карт, простотой их внешнего оформления, адекватным подбором знаков и шкал, обеспечивающими эффективное зрительное восприятие в условиях оперативного анализа ситуаций;

- оперативностью распространения карт и доставки их потребителям с использованием для этого телекоммуникационных сетей.

Динамическое геоинформационное картографирование.

В традиционной картографии известно известны три основных способа отображения динамики явлений и процессов, их возникновения, развития, изменений во времени и перемещения в пространстве:

- показ динамики на одной карте с помощью стрелок или лент движения, «нарастающих» знаков и диаграмм, расширяющихся ареалов, изолиний скоростей изменения явлений и т.п.;

- показ динамики с помощью серий разновременных карт, снимков, фотокарт, блок-диаграмм и др., фиксирующих состояния объектов в разные моменты (периоды) времени;

- составление карт изменения состояний явления, когда показывается не сама динамика, а лишь результаты происшедших изменений (ареалы изменений);

Резко возросший в последние годы интерес к картографированию динамики вызван необходимостью познания не только структуры явлений, но и существа процессов, происходящих в земной коре, атмосфере, гидросфере и биосфере и, что еще более важно, в зонах их контакта и взаимодействия. Динамическое картографирование, кроме того, является наиболее эффективным средством визуализации результатов мониторинга.

Картографические анимации

Геоинформационнок картографирование существенно расширило возможности отображения динамики геосистем, введя в научную практику особые динамические последовательности карт (кадров, сцен) - картографические анимации, создающие при демонстрации эффект движения (мультипликации).

Анимация прогноза погоды

Существуют разные методики создания анимационных изображений:

1. Сформирование серии движущихся изображений на дисплее на основе баз данных геоинформационных систем при непосредственном участии картографа;

2. Запись картографического изображения с компьютера на видеокассету;

3. Применение специальных анимационных программ, когда отдельные карты-кадры, хранящиеся на носителях, вызываются оператором для формирования движущихся последовательностей в избранном временном масштабе.

Конечно, наилучшие возможности для динамического геоинформационного картографирования предоставляют современные анимационные компьютерные программы, которые содержат наборы модулей, обеспечивающих самые разные варианты и комбинации анимаций:

- перемещение картографического изображения по экрану;

- мультипликационные последовательности карт-кадров или 3-мерных изображений;

- изменение скорости демонстрации, покадровый просмотр, возврат к избранному кадру, обратная последовательность;

- перемещение отдельных элементов содержания (объектов, знаков) по карте;

- показ изменений отдельных элементов содержания (объектов, знаков), их размеров, ориентации, мигание знаков, топологические преобразования и др.;

- варьирование окраски (пульсация и дефилирование), изменение интенсивности, создание эффекта вибрации цвета;